框支剪力墙结构中的短肢剪力墙的设计分析
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摘要：随着我国建筑水平的提高和发展，框支短肢剪力墙结构因为具有很多优点在高层建筑中的应用变得日益频繁，但目前该方法的相关理论分析还做得不够，本文即对该结构的设计问题做了简要分析。
关键词：剪力墙；结构；设计
中图分类号：TU378.4
文献标识码：B
文章编号：1008-0422（2014）02-0104-02
1、前言
进入21世纪以来，我国建筑行业发展迅速，尤其在高层建筑方面，应为使用较多，相关的设计和技术工作开展的较好。对小高层建筑，根据我国建筑行业的规律，一般采用钢筋混凝土结构。根据其平面特点，通常都利用中部竖向交通区设置较多的剪力墙，组成一个较完整或基本完整的核心筒体，而在部分则有框架和剪力墙两种选择，各有利弊。框架布置灵活，施工方便，但因各住户房间大小不一，位置交错，难以形成规则的柱网，抗侧性能较差；剪力墙侧向刚度大，沿房间分隔布置可与建筑平面较好配合，但灵活性差，上下对齐要求高，且施工困难，造价较高。针对这一问题，经过不断的实践及改进，以剪力墙为基础，并吸取框架的优点，逐步发展成一种比较能适应这种小高层住宅建筑的结构体系，即“短肢剪力墙”结构体系，目前已得到广泛应用，本文就框支短肢剪力墙结构的设计问题做分析。
2、框支短肢剪力墙结构的特点
2.1 短肢剪力墙特点
短肢剪力墙，它仍属于剪力墙结构体系，只是肢长较短。短肢剪力墙截面形式更为多样，通常有T形，L形，I形，z形，偶尔也会出现+形或一形。其在结构布置方面灵活性及可调整性大，墙数量可多可少，墙肢可长可短，还可通过不同的尺寸和布置未调整层剪切中心的位置，故不难得出合理的结构方案。就抗侧性能而言，短肢剪力墙介于普通剪力墙和框架之间，其侧向位移曲线仍为弯曲型，但曲率较普通剪力墙小（图1）。此外，短肢剪力墙一筒体结构的受力性能与框架一筒结构相比有较大不同，由于墙本身的抗侧能力，楼层剪力并非主要由核心筒承担，而是趋向于均匀分布，这一点在后面的实例计算中将会有明显反映。
2.2 框支剪力墙结构中的短肢剪力墙特点
框支剪力墙结构中的短肢剪力墙在具体结构形式上，则有鲜明的自身特点，主要表现在以下几方面：
2.2.1 在对剪力墙的支承形式上“框支”与“梁抬”并存。由于墙肢长较短，数量多，不可避免要出现某些墙肢与框支柱完全不沾边，直接支承在梁上的情况，工程上称为“拾梁”，这使得框支梁的设计计算变得非常重要。
2.2.2 转换结构一般采用深梁转换，由于短肢剪力墙截面形式多样，很多时候出现主次梁共同支承上部墙肢，甚至次梁支承再向主梁传递的情况，传力体系更加复杂。
2.2.3 框支剪力墙结构一般在转换层上下刚度变化较大，成为薄弱环节。框支短肢剪力墙结构墙肢短，往往与下层框支柱截面相差不多，若在设计时予以适当控制，刚度突变情况可得到改善。
3、框支剪力墙结构设计要点分析
3.1 框支剪力墙结构的设计原则
带转换层高层建筑结构是一受力复杂、不利抗震的高层建筑结构，在结构总体设计，特别是在抗震设防地区采用时，结构设计需遵循如下原则：
1）减少转换。
2）传力直接。
3）强化下部、弱化上部。
4）优化转换结构。
5）计算全面准确。
3.2 框支梁设计
结构设计时，转换梁断面一般宜由剪压比控制计算确定，有合适的含箍率，以避免脆性破坏。
1）框支梁断面确定：框支梁宽不宜小于2倍上部框支墙厚度，且不宜小于400mm，框支梁梁高不应小于梁跨度的1/6。
2）框支梁不宜开洞。
3）框支梁上部纵筋至少50%沿梁全长贯通，下部纵筋全部直通柱内，并沿梁高设直径大于16及间距不大于200的腰筋。
3.3 框支柱设计
框支柱断面一般由其轴压比确定。由于剪力墙在转换层处部分终断。必须保证下部框支柱的抗剪能力，限制轴压比。
3.4 落地剪力墙设计
落地剪力墙、简体宜均匀设置，落地剪力墙、筒体断面一般由其轴压比计算确定。
落地剪力墙、简体断面尚需满足适宜剪压比限值要求，以避免脆性破坏。
3.5 上部剪力墙设计
转换结构上部剪力墙与转换结构协同工作，可视作一个层层受楼板约束、受相连墙、连梁空间约束的平面开洞薄梁，它与转换结构一起整体协同工作承受重力荷载、水平荷载。上部剪力墙及其连梁尤其是转换结构上层剪力墙及其连梁受力复杂、应力比较集中。上部剪力墙布置时，应注意其整体空间完整性和延性，注意外墙尽量设置转角翼缘，注意门窗洞口尽量居于转换结构跨中，应尽量避免无连梁相连的延性较差的秃头墙。
3.6 楼板
转换层楼板厚度不宜小于150mm，相邻转换层上部1～2层楼板厚度不宜小于120mm，且落地剪力墙内侧、落地简体外周楼板不宜开大洞。
4、框支转换层上下的刚度变化分析
4.1 现有剪切刚度比计算公式的缺陷
传统框支剪力墙结构由于上层剪力墙的刚度远大于下层框支柱，往往在转换层上下造成侧向刚度突变。在地震时，刚度突变部位易形成应力集中，同时底层过于柔性会导致侧向变形过大，而框支柱不能忍受过大变形，对抗震非常不利。因此，规范规定，对底层大空间剪力墙结构必须验算上下层剪切刚度比Y（式3-1），上下层刚度比宜接近于1，非抗震设计时，不应大于3，抗震设计时不应大于2。
式中Gi、Gi+1――第i层、第i+l层的混凝土剪变模量；
Ai、Ai+1――第i层、第i+l层的混凝土剪变模量；
Aw――在所计算的方向上，剪力墙全部有效截面面积；
Ac―全部柱截面面积；
hi、hi+1第i层、第i+l层层高。
上式中对框支柱抗剪面积Ac所乘的0.12是一个统计数值，主要考虑到柱面积分布较为分散，截面性矩远小于剪力墙。对框支短肢剪力墙结构而言，单个墙肢截面面积与下层框支截面面积相差不多，减去落地核心筒剪力墙面积后，Aw与Ac也相差不多。
4.2 直接采用楼层侧向刚度比控制
建筑物的质量主要集中于楼层外，大多数时候，整个结构的动力分析可视为一连串竖向质点的水平振动（图2）。剪切刚度比的实际意义在于表达楼层抗侧刚度的比值，只是为了工程验算方便，才在规范中采用了简化的计算方式。实际上，楼层的抗侧刚度在x向和Y向是不同的，应分开考虑，因此，即使是对普通大空间框支剪力墙结构，剪切刚度比的计算方法也是不准确的。
2008版的建筑抗震设计规范中规定，“矩形平面的部分框支抗震结构，其框支层的楼层侧向刚度不应小于相邻非框支楼层侧向刚度的50%”。楼层侧向刚度的计算较为复杂，需要考虑弯曲、剪切和轴向变形的综合效应。对于体型较为复杂的结构，由于存在各杆之间的协同作用以及平面内的扭转，计算侧向刚度已必须借助电算，考虑空间协同作用。而纵观目前常用的各设计软件，还未见到有侧向刚度数据直接输出。
这里讨论一种简化的计算方法。如图2所示，当楼层采用平面内刚性无穷大假定后，楼层简化为一质点。从简化的角度考虑，完全可以在计算软件中将这一层单独提出，于剪切中心处施加一水平力F，求出其相应位移，而后按式3-2计算其在两个方向的等效侧向刚度日，该值比剪切刚度比更能反映结构的抗侧能力，且容易求得。在后文的计算中便采用了这一方法。
式中EIx，Ely楼层在x向和Y向的等效抗侧刚度；
FX，Fy施加于楼层剪切中心处的单位水平力；
x，y楼层在单位水平力作用下产生的整体水平位移。
5、工程实例分析
某工程属于复杂高层建筑结构中带转换层的结构类型，转换层在首层，因为首层商业功能的需要，上部需要转换的墙肢比较多。底部加强部位剪力墙及框支柱抗震等级为二级，底部加强部位以上标准层剪力墙抗震等级为三级，短肢剪力墙抗震等级为二级。
5.1 钢筋混凝土剪力墙住宅结构设计
墙肢结构设计按照抗震设计要求，结合建筑平面布置在窗间墙及房间四角等布置成L形、T形或十字形短肢剪力墙和一般剪力墙。短肢剪力墙结构抗侧移刚度主要取决于各墙肢刚度以及墙肢总量，墙肢太短或墙壁率太小，则结构刚度小，水平地震作用下位移偏大，影响承载力、稳定性和正常使用。反之，结构刚度偏大，地震作用大，构件配筋增大甚至超筋，形成浪费。抗震设计时，筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不小于结构总底部地震倾覆力矩的50%。短肢剪力墙抗震等级比一般剪力墙抗震等级提高一级采用。其轴压比不大于0.6。
5.2 本工程实例结构构件设计及构造措施
5.2.1 梁、板的设计
本工程梁、板受力均按线弹性方法计算，考虑活荷载不利布置，与土壤接触的梁、板按计算弯矩、剪力及0.2mm裂缝宽度共同控制配筋，其余楼板按照计算弯矩、剪力及0.3mm裂缝宽度共同控制配筋，地下室为超长结构，除设置了后浇带外，其梁、板同时考虑了温度应力的作用。楼板厚度主要设计为100mm厚，对大跨度楼板根据跨度加厚楼板至120m-150rm，对6.0×6.0m间隔的大板，在板面无负筋的区域另加φ8@200双向钢筋网与板负筋搭接连结。首层（转换层）顶板设计为180m厚，转换层上部第一个标准层楼板设计为120mm，其余层电梯前室因为结构加强及预埋线管的原因，楼板厚度设计为150mm，屋顶楼板为120mm，这几处均做了重点加强，采用双层双向配筋。梁的配筋率控制在0.45%～2.2%之间，对剪力墙开洞形成的跨高比小于5的梁按连梁设计，当跨高比大于等于5时，按框架梁进行设计。为减少梁、板结构因混凝土水化热而产生的温度裂缝，采用梁、板的混凝土强度等级低于柱、剪力墙混凝土强度等级12个级别，这样既减少了温度裂缝又节省了混凝土造价，同时构造配筋也减小了，降低了含钢量，取得了一举多得的效果。
5.2.2 短肢剪力墙设计
短肢剪力墙在二至四层为转换层上部的加强部位，抗震等级按提高一级做加强处理措施，墙厚加厚至250mm-300mm，轴压比控制在0.5以下，对约束边缘构件及墙身的配筋做了一定的加强。四层以上按抗震等级三级短肢剪力墙要求设计，墙厚减薄至200mm一250mm，轴压比控制在0.6以下，其构造边缘构件纵筋按0.8%控制，箍筋的配箍特征值按0.1控制。为了增加结构整体扭转刚度，减少扭转变形，对角窗部位的剪力墙及边缘构件也做了特别的加强。
5.2.3 框支框架、框支剪力墙设计
通过计算分析结果发现，框支柱顶及框支梁均出现较严重的应力集中现象，说明此处最容易破坏，需要加强。框支柱、梁截面配筋设计时比较TAT分析结果和SATWE分析结果，偏安全地取大值。框支柱、框支梁的抗震等级均提高至二级，本着“强剪弱弯”的原则，所有框支梁均采用φ12@100四肢箍全长加密。为实现“强柱弱梁，更强节点”的抗震设计目标，按二级抗震要求验算框架节点。转换层之上的三层剪力墙，由于结构刚度突变，引起内力集中，墙肢和连梁配筋以SATWE和TAT较大的计算结果做为设计依据，并适当放大加强。
6、结语
对于层数不超过18层，高度小于50m的小高层建筑而言，框支短肢剪力墙结构在转换层的梁柱板截面尺寸取值较大，具有足够刚度，且上部结构楼层质量中心与剪切中心相差不大的前提下，其转换层工作状态是稳定可靠的。但框支短肢剪力墙结构是抗震不利的结构体系。设计时不仅要求整体结构的平面布置合理、竖向布置合理、周期位移控制合理还应该重点考虑转换层布置。对于平面不规则的框支剪力墙结构，由于结构平面和竖向刚度分布不均匀，往往形成中间侧向刚度大，周边侧向刚度小，造成结构扭转效应明显，故在控制好转换层上、下侧向刚度的同时，应强化角部的剪力墙及柱刚度，弱化中间部分的剪力墙及柱刚度，使整体结构满足周期比、位移比要求，加强结构的抗扭性能。